舰载机纵向着舰模糊PID引导系统研究

引言：为保证航母舰载机着舰过程中，本文设计建立了舰载机纵向着舰模糊pid引导控制系统。首先在对舰载机自动着舰控制系统特点进行分析的基础上，设计舰载机着舰引导PID控制系统，根据模糊控制理论，对常规PID控制器进行在线调整参数的能力，对纵向导引控制律进行了改进，引入模糊控制理论，与常规的PID控制器相结合，组成模糊PID控制器。通过仿真，结合着舰试验，说明了模糊PID比常规PID更能有效地改善着舰控制系统的品质，减小着舰误差，为舰载机着舰安全性的提高提供了帮助。

舰载机纵向着舰控制是一个复杂的控制问题，经过半个多世纪的发展，其核心一直是围绕着如何使舰载机沿着精确的下滑轨迹安全着舰，但是自动着舰控制系统的基本结构变化不大，最近几年来研究的成果主要集中在控制系统的参数优化、甲板运动预估、如何提高着舰控制精度、降低噪声误差等等，模糊控制方法由于其算法简单、实时性好、鲁棒性强，特别适合于比较复杂的的控制系统。

本文利用模糊PID控制理论对舰载机纵向着舰导引律进行改进，凭借模糊控制器的在线调整参数的能力，使舰载机较好地跟踪理想下滑轨迹进行着舰。

一、舰载机航迹控制系统建模

飞行控制系统和推力控制系统的输入命令是由航空母舰上安装的纵向导引控制指令计算机发出的，该计算机根据雷达测量的信号以及相关的传感器信号，由纵向导引控制环节产生舰载机的着舰下滑轨迹指示信号，经过无线电数据链装置，发送到舰载机的飞行控制系统和推力控制系统中，使舰载机精确地按照预定轨迹下滑着舰。

在实际的舰载机着舰控制系统中，纵向导引控制方程中的PID控制器的传递函数为：

关于这三个系数的整定有很多方法，包括Ziegler-Nichols设定方法、改进后的Ziegler-Nichols设定方法、幅值相位裕度设定方法和最优整定法，在本文中主要采取基本的Ziegler-Nichols设定的方法，该方法是根据受控对象的阶跃响应或者是频率响应来确定控制器的三个系数，Ziegler-Nichols时域整定法首先假设受控对象的特性接近于带有时间延迟的一阶环节，然后求出受控对象阶跃响应曲线，根据这个曲线来得到相应的PID控制器的三个参数。

就舰载机着舰控制系统来说，是用飞行控制系统和推力控制系统相耦合的控制系统作为被控对象，把它的扰动高度h作为反馈控制量，与高度输入指令H相比较，生成控制信号，在飞行过程中实时调整舰载机的姿态，使其跟踪理想下滑轨迹的变化，以便减小下滑着舰时的误差，如图1所示。

二、舰载机模糊PID控制系统设计

常规的PID控制器是在过程控制中应用最广泛的一种基本控制器，具有算法简单、稳定性好、可靠性高的优点，尤其适用于被控对象参数固定、非线性不严重的系统，但是在实际的控制过程中由于被控对象的负荷多变、干扰因素复杂，要想获得满意的控制效果，就需要对PID参数进行在线调整，模糊控制器能充分利用操作人员进行实时非线性调节的成功经验，充分发挥PID控制器的优良控制作用，使整个控制系统达到最佳的控制效果。

设PID控制器的输出量为 ，输入量为 ，他们之间的关系是：

为获得满意的控制效果，就要根据系统状态对 、 、 三个参数进行实时调整，结合工程技术人员的分析和实际操作的经验，并加上偏差变化率 的影响，可以制定调节修正PID控制器的三个参数的模糊规则，如：

模糊PID控制器的工作原理是：把输入PID调节器的偏差 和偏差变化率 同时输入到模糊控制器中，模糊控制器分别对三个参数 、 、 进行调节，然后经过模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量 、 、 分别输入到PID调节器中，对三个系数进行实时在线修正。

结合舰载机航迹控制系统和模糊PID控制器，设计舰载机模糊PID控制器，如图2所示。

由图2可知，模糊控制器输入为理想着舰点的高度与舰载机扰动高度间的偏差e和它的偏差变化率ec，输出为PID参数的修正量 、 、 。

三、舰载机着舰控制系统仿真分析

仿真初始条件：某型舰载机距舰距离926m（1/2nm）；无对中偏差；速度69.96m/s（无速度偏差）；配平迎角8.1°；下滑高度76.6366m，具有高于理想下滑位置20m的初始偏差。在舰载机模糊PID控制系统的作用下，其下滑航迹如图3所示。

如图3所示，由于舰载机初始存在现高于理想下滑航迹的偏差，控制系统将实际位置与理想下滑位置比较，差值通过引导律的计算，得到一个较小的俯仰角指令，通过纵向姿态系统，操纵升降舵，减小俯仰角，由受力分析可知此时升力降低，飞机竖直方向受力不再平衡，升力小于重力，合力向下，导致飞机位置降低，在维持迎角恒定的情况下，舰载机通过下俯操作使航迹角变化，最终位置趋向于标准航迹。

结论

本文利用模糊PID控制理论对舰载机纵向着舰导引律进行了改进，根据舰载机着舰的导引控制系统的性能要求，在常规PID控制的基础上，引入了模糊控制理论，使两者结合成模糊PID控制器。仿真结果表明，改进后的着舰导引律更能满足着舰的要求，说明设计合理性。

参考文献

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（作者单位：哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院）